ink-jet 프린트 태양전지

POSTECH과 다국적 과학자들이 세계최초로 모든 제조 공정이 대기중에서  ink-jet 프린트로 만들어진 유기 탸양전지의 제조와 특성을 보고했다. 

최근 그들의 연구에서 맞춤 3원 솔벤트로 엔지니어링 된 반도체 혼합물을 ink jet 프린팅을 흡수층을 만들어고효율 태양전지를 데모했다.  

이 결과로 부터 ink-jet 프린트된 혼합물 층이 카운터 파트인 spin-coated의 것과 비슷한 나노규모 구조와 여기 상태 다이나믹스를 보인다는 것을 알 수 있다. 

특히 태양전지의 4개 층이 상온에서 ink-jet 프린트 됐다. 모든 공정이 ink-jet 프린트로 이루어진 유기 태양전지의 효율은 ~2%이고 캐소드 층만 층착 공정으로 만들어진 유기 태양전지의 효율은 5%였다. 

Ink-jet 프린팅은 가격 경쟁력이 있고 친환경적으로 태양전지 셀을 플락스틱 기판에 결합시킬 수 있기 때문에 매력적인 디지털 프린팅 기술이다. 

Ink-jet 프린팅 기술은 트렌지스터, 센서 또는 디스플레이와 같은 부품으로 구성된  시스템에 에너지 수확 유닛으로 결합될 수 있다. 

이 의미는 ink-jet 프린트 태양전지가 휴대용 플렉서블 전자기기의 제조 공정에 완전히 통합될 수 있다는 것을 뜻한다. 

참고: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=36042.php 

대면적 나노 패터닝 기술

고굴절 나노구조를 상용 태양전지 기술에 적용하기 위한 공정은 저가이고, 수율이 높고, 대면적이 가능해야 한다. 

산업에서 일반적인 나노패터닝 방법은 리소그라피이다. 이 기술은 칩 산업에서 충분히 발달되고 널리 사용하고 있는 기술이지만 태양전지의 저가 제조를 위해서는 맞지가 않다. 

콜로이드 리소그라피는 콜로이드 나노구의 2차원 어레이를 패턴 전사를 위한 마스크로 사용한다. 

과거에 SiO2와 폴리머 나노구가 Langmuir-Blodgett, 스핀 고팅 그리고 딥 코팅 방법을 통해 단일층으로 형성되었다. 

비록 이 원래 방법의 생산성이 태양전지 응용을 위해서는 매우 충분하지 않지만 Jeong et al.은 간단하고 대면적이 가능한 버전을 개발했다. 

그들은 와이어가 감긴 막대기 코팅(wire-wound rod coating)을 이용했는데 이 코팅은 roll-to-roll 공정에서 단단하거나 플렉서블한 다양한 기판 위에 SiO2 나노입자의 조밀한 단일층 또는 다층을 형성하기 위해 널리 사용된다(그림 5a).

그러한 패턴은 나중에 나노와이어와 graded 굴절률 구조를 구현하여 광포획층 또는 반도체층으로 될 수 있다(그림 5b). 

다른 방법은 값싼 박막 증착과 나노구조의 화학 공정을 결합하는 것이다. 값싼 기판(Si, Al foil, SiO2와 폴리이미드 필름)위에 고굴절률 SnO2 나노콘 형성이 일련의 간단한 공정에 의해 최근 데모되었다: 증착과 낮은 산소 분압에서 박막 Sn의 산화(그림 5c). 

낮은 산소 농도(100 ppm 이하)와 불활성 가스 환경에서 박막 Sn을 용융점(232 °C) 이상에서 어닐링하면 액체 상태의 Sn 입자가 형성된다. 

Sn 입자가 용해된 산소와 함께 과포화될때 딱딱한 기판과 액체 Sn 사이의 계면에 SnOx가 응집된다. 액체 Sn의 고 표면장력과 SnOx로의 Sn 소모의 결합 효과가 끝이 가느러지는 SnOx 나노콘을 만든다. 

Roll-to-roll 나노임프린트 리소그라피(nanoimprint lithography, NIL)는 또 다른 가격 경쟁력이 있는 나노 패터닝 기술을 제공한다.  

이 방법은 물리적 변형(열적 NIL)과 레지스터 물질의 curing(UV NIL)에 기초한다. 비록 NIL이 deep-subwavelengh 크기의 나노구조를 만들수 있지만 아직까지는 대면적화 하기는 어렵다. 

Substrate conformal imprint lithography(SCIL)이 가격 경쟁력이 있는 방식으로 대면적화를 가능하게 할 수 있다. 이 기술은 Mie 산란체를 만드는데 사용되었고 이미 5 인치 Si 웨이퍼에 적용되었다(그림 5d). 

이것은 SiO2와 TiO2 졸겔(sol-gell) 층에 직접적으로 나노구조를 구현하거나 나노구조를 Si 전사시키는데 사용되었다. 

이 공정에서 중요한 단계는 electron-beam 리소그라피로 Si 마스터을 이용해서polydimethylsiloxane 고무 틀을 제작하하는 것이다. 

위상 변위(phase-shift)와 near-field 리소그라피의 대면적 적용은 포토 마스크와 포토 레지스터 사이의 공기 갭에 있어서 엄격한 요구조건에 의해 불가능했다. 

Rolith는 석영 실리더 주위를 연질 고무를 감싸 이를 해결했다. 실린더 내부에 위치된 선형 UV 소스가 실리더와 포토 레지스터가 코팅된 기판 사이의 tie line을 비춘다(그림 5e). 

이것은 굴러가는 방식으로 포토 레지스터을 노출되게 해주어 미터 길이의 패널에 대해 sub-wavelength 나노구조의 패터닝을 가능하게 한다. 

SCIL과 Rolith 공정 모두 평탄하지 않은 기판 위에 나노패턴이 가능하게 하고 입자 오염에 대한 상당한 마진을 주는 soft 리소그라피의 장점을 이용한다. 

참고:  Light management for photovoltaics using high-index nanostructures,  Mark L. Brongersma, et al., Nature Materials, published online: 22 April 2014⎜DOI: 10.1038/NMAT3921

태양전지 제조에 있어서 돌파구가 10년 안에 값싼 에너지를 약속하다

Liverpool(영국)의 과학자들은 CdCl2 대신 바닷물의 염(salt)인 MgCl2을 이용하여 덜 무해한 CdTe 태양전지를 개발했다. 

MgCl2는 두유를 두부로 응고시킬 때 사용되거나 겨울에 도로에 쌓인 눈을 제거 할 때 사용된다. 

MgCl2는 CdCl2 보다 수십배 싸기 때문에 현재의 태양전지의 가격에 큰 변화를 일으켜 그리드 패리티(grid parity) 앞당길 수 있을 것이다. 

CdTe 태양전지에서 중요한 제조 공정 단계는 다결정 CdTe를 CdCl2로 도핑하는 것이다. 이것은 CdTe/CdS 계면에 광전기 접합을 형성하게 하고 grain boundary을 패시베이션하여 높은 소자 효율을 얻는데 필수적이다. 

그들은 CdTe 샘플 위에 MgCl2을 스프레이하여 activation 단계를 거친 후 태양전지를 만들어 상용 CdTe 태양전지의 성능을 비교했는데 두 태양전지의 효율이 약13%으로 같았다.  

MgCl2로 activation 했을 때 CdCl2에서와 비스한 9 × 10^14/cm3의 홀 밀도를 얻었고 Cl과 O의 불순물 프로파일 또한 비슷했다. Cl과 O는 박막 CdTe을 위한 중요한 p형 도펀트이다. 

참고: http://www.independent.co.uk/news/science/breakthrough-in-solar-panel-manufacture-promises-cheap-energy-within-a-decade-9563136.html

흡수층을 나노구조화 하기

흡수층을 나노구조로 하면 셀의 전기적과 광학적 특성 모두 이득이 있다. radial p-n 접합의 반도체 나노와이어 어레이로 구성된 셀이 대표적인 예이다. 

와이어 기학학과 크기는 효과적인 축방향 전하 추출과 와이어 길이 방향으로 우수한 광흡수를 제공한다. 

캐리어와 포톤 수송의 직교성은 소수 캐리어 확산거리가 짧은 저품질의 재료를 사용할 수 있게 한다. 

나노콘을 반사 방지 코팅으로 사용하지 않고 나노콘이 패턴된 기판 위에 a-Si을 증착하여 나노구조의 a-Si 태양전지를 만들 수 있다. 

나노콘 위의 ~300 nm 두께의 a-Si:H의 등각 증착(conformal deposition)은 나노돔이 있는 광흡수층을 낳았다.  

이 디자인에서 나노돔은 반사 방지를 위한 graded 굴절률 매칭을 제공할 뿐아니라 빛을 셀의 수평으로 구속된 가이드 모드와 결합시킨다. 

400과 500 nm의 파장의 광의 대부분은 a-Si:H 층을 통한 한 번의 통과로 흡수되고 방사 방지 효과가 중요해진다. 

장파장의 광(600과 700 nm)은 한 번의 통과로 흡수되지 않기 때문에 돔의 간격을 최적화하여 평면 가이드 모드와의 결합이 최대가 되게 해야한다.

태양전지 흡수체가 Mie 공명기로 만들어질 수 있다는 것이 제안되었다. Yao et al.은 나노결정 Si 껍데기가 태양전지의 흡수층으로 사용될 수 있고 평면의 흡수층에 비해 광흡수율이 20배 높다는 것을 보였다(그림 4f).

이것은 셀의 Mie 모드로의 빛의 결합이 흡수 물질 안에서 광의 재순환을 야기하기 때문다.   

상대적으로 낮은 optical quality factor의 Si 껍데기 공명은 입사광과 공명 모드 사이의 결합을 효과적으로 이끌 뿐 아니라 스펙트럼의 공명 흡수 강화 영역을 넓힌다.

나노구조의 간격이 광 파장의 크기라면 광결정 효과가 나타난다. 전체 태양광 흡수를 최적화하기 위한 연구는 나노구조의 크가, 모양 그리고 filling ratio의 공동 최적화가 중요하다는 것을 보여 준다. 

Garnett et al.은 8 um 두께의 Si 멤브레인 위에 5 um 길이의 Si 나노와이어 어레이를 제공하여 최적화된 셀에서 광경로 길이를 상당히 증가시켰다. 

참고: Light management for photovoltaics using high-index nanostructures,  Mark L. Brongersma, et al., Nature Materials, published online: 22 April 2014⎜DOI: 10.1038/NMAT3921

태양전지 후면 나노구조

후면의 유전체 나노구조는 고 반사체로 사용될 수 있다. 예를 들어 흰색 페인트와 선스크린을 구성하는 고굴절 TiO2 나노입자는 금속 반사체에서의 기생 흡수 없이  광을 가이드 공명으로 재분배할 수 있는 훌륭한 광대역 반사체로 형성될 수 있다. TiO2는 값싸고 매장량이 풍부하고 친환경적이다. 

나노구조를 정확한 모양과 크기로 튜닝하는 것은 산란광의 각과 평광 분포에 대한 새로운 수준의  제어를 제공한다. 

초박형 c-Si 셀 양쪽에 나노구조를 형성했을 때 장점을 찾기 위해 체계적인 나노광학 시뮬레이션이 이루어졌다(그림 4d,e). 

이 분석으로 부터 매우 효율적인 광흡수는 고종횡비와 밀한(간격 ~500 nm) 나노구조 어레이가 전면에 반사 방지 코팅으로 사용되고 낮은 종횡비와 낮은 밀도의 나노구조 어레이가 후면에 사용되어 가이드 공명을 야기할 때 얻을 수 있다. 

박형 c-Si 태양전지에서 나노콘의 최적의 주기적 간격은 ~1,000 nm이다. 그 이유는 후면에서의 광포획은 c-Si 밴드갭 근처인 800~1,100 nm 파장에서 중요하기 때문이다. 

참고: Light management for photovoltaics using high-index nanostructures,  Mark L. Brongersma, et al., Nature Materials, published online: 22 April 2014⎜DOI: 10.1038/NMAT3921

나노구조가 태양전지 전면(front surface)에 있는 경우

나노구조가 셀 전면에 있으면 광이 반도체층과 결합되기 위한 효과적인 경로가 제공 되기 때문에  반사율이 줄어든다. 

예를 들어, 많은 태양전지에서 전기적 접촉으로 사용되는 투명 전도 산화막은 어느 정도의 광포획을 얻기 위해 거칠기를 가졌다. 

고굴절률 나노구조의 크기와 모양을 세심하게 엔지니어링하는 것은 광을 반도체로 더 많이 들어가게 하는 지역화된 Mie 공명을 이끈다. 

보통 흡수층의 굴절률이 주변 보다 크기 때문에 Mie 공명의 여기는 더 높은 mode density에 의해 흡수층으로 산란을 우선적으로 야기한다. 

이 매케니즘은 ZnO 나노빔이 있는 a-Si 셀에서 효과적인 광포획 뿐아니라 나노크기의 Si 말뚝 어레이(그림 4b)로 패턴된 단결정 Si의 검은 외관을 설명하기 위해 제안되었다. 

이 나노구조 표면에 대한 광학 시뮬레이션은 Mie 공명의 여기를 확실히 보여준다; 필드 분포가 고굴절률 흡수층으로 확장되어 있다(그림 4c).

이것으로 부터 이미 완성된 태양전지의 전면에 Mie 공명을 제공할 수 있는 나노구조를 포함하는 광포획층을 실현하면 셀의 성능을 향상시킬 수 있다.  

예를 들어, Mie 공명을 제공하는 정렬된 유전체 구(sphere) 어레이의 배치가 박막 a-Si 태양전지의 효율을 증가시켰다.  

참고:  Light management for photovoltaics using high-index nanostructures,  Mark L. Brongersma, et al., Nature Materials, published online: 22 April 2014⎜DOI: 10.1038/NMAT3921

나노구조 광포획 층

태양전지 커뮤니티에서 중요한 연구 방향과 개발은 두꺼운 결정질 태양전지의 고효율에 결코 뒤지지 않은 초박형, 저가 태양전지를 구현하는 것이다. 

흡수층이 얇아질 수록 광흡수를 강화하기 위해 커플링 공명 수를 증가시키는 것이 더 중요해진다. 

이것은 장파장에서 특히 중요한데, 반도체의 밴드갭 쪽으로 파장이 증가하면 광흡수가 급격히 떨어지기 때문이다. 

나노구조를 태양전지에 집어 넣은 것은 태양광 스펙트럼에 걸쳐 공명을 배치시키는 것인데 광포획으로 여겨진다. 

이것이 잘 될 경우 4n^2 한계를 깰 수 있는 기회가 있다. 

나노구조는 흡수층의 전면과 후면에 위치하거나 흡수층 자체가 나노구조가 될 수 있다. 

참고: Light management for photovoltaics using high-index nanostructures,  Mark L. Brongersma, et al., Nature Materials, published online: 22 April 2014⎜DOI: 10.1038/NMAT3921

페로브스카이트는 태양전지 산업에서 새로운 진주다

(페로브스카이트는 독특한 구조를 가진다. 큐빅의 중앙에 Pb 원자가 있고 각 면 중앙에 I 원자가 있고 각 꼭지점에 NH3 이온이 있다.)


2014년 3월 Yang Yang 교수는 페로브스카이트 태양전지에서 효율 19.3%을 달성 했다고 발표했다. 

이 태양전지는 아직도 개선의 여지가 많기 때문에 효율 20%가 넘을 것으로 기대하고 있다. 

페로브스카이트 태양전지는 상용 Si 태양전지의 출력과 박막 CIGS 보다 낮은 가격을 맞출 수 있다고 생각된다. 

페로브스카이트 태양전지는 염료 감응 태양전지(DSSCs)에서 파생되었는데 DSSCs의 염료가 페로브스카이트로 대체되어 있다고 보면 된다. 

페로브스카이트는 넓은 태양광 스펙트럼에 걸쳐 효과적으로 광을 흡수하고 또한 전하 이동 특성이 좋다. 

2013년 Snaith는 TiO2 나노입자 없이 페로브스카이트 태양전지 아키텍처를 단순하게 만들어 15% 이상의 효율을 달성했다. 

그 이후 KRICT의 석상일 박사는 화학 반응을 개선하여 페로브스카이트 구조 내의 결함을 줄여 효율 17.9%을 발표했다. 

페로브스카이트 태양전지의 성능에서 첫번째로 중요한 것은 어떻게 결함을 없애는 것이고 두번째는 페로브스카이트의 화학 성분을 조금 수정하여 물질의 흡수 스펙트럼을 넓히는 것이다. 

하지만 페로브스카이트에 대한 오래 끌고 있는 우려가 있는데 Pb 기반의 셀이 널리 사용될 때 환경적인 문제를 일으킬 수 있다는 것이다. 

2014년 5월에 Snaith와 Kanatzidis는 서로 독립적으로 Pb 대신 Sn 기반의 태양전지가 개발했는데 효율은 ~6%이다. 

비록 Sn 페로브스카이트 태양전지는 Pb 셀에 비해 공기중 안정성이 너무 떨어지지만 연구자들은 잠재력은 충분히 있다고 생각하고 있다. 

한편, Oxford Photovoltaics는 Pb 페로브스카이트 태양전지의 양산에 있어서 우위를 차지 하고 있다. 이 회사는 유리 제조 회사와 협력하여 태양광 글레이징(glazing) 제품을 개발하고 있다. 회색 색조의 유리창이 전기를 생산하는 것인데 일반 유리창에 비해 10% 비싸다. 하지만 10년 내에 태양광 유리창의 비용을 회수 할 수 있다고 한다. 

또한 Oxford Photovoltaics는 유틸리티 규모의 제품을 위해 상용 Si 태양전지에 페로브스카이트를 적용할 수 있는지 연구하고 있다.

Si과 페로브스카이트는 서로 다른 태양광 파장을 흡수 하고 페로브스카이트가 Si에 비해 Voc가 높기 때문에 텐덤 셀을 만들면 상용 셀의 출력을 향상시킬 수 있다. 

참고: http://spectrum.ieee.org/green-tech/solar/perovskite-is-the-new-black-in-the-solar-world 

유기 태양전지 제조에서 중요한 단계를 달성하다

덴마크의 과학자들은 세계 최초로 roll-to-roll 공정이 가능한 플렉서블 텐덤 유기 태양전지 모듈을 개발했다.

유기 태양전지는 저효율과 단수명이 문제점인데 새로운 재료, 공정 기술, 그리고 소자 아키텍처 개발이 요구되고 있다.

텐덤 구조는 다수의 접합을 서로 스택한 것인데 태양광 스펙트럼의 넓은 영역에서 포톤을 이용하기 위해 상호 보완적인 광흡수 재료를 선택할 수 있는 장점이 있다.

하지만, 이 구조는 너무 복잡해서 상업용으로 셀을 제조하기가 힘들다.

Technical University of Denmark의 과학자들은 14층으로 스택된 텐덤 유기 태양전지 모듈을 제조했다.  각 층은 이전 층 위에 인쇄기를 닮은 기계로 매우 빠르게 프린팅되거나 코팅되거나 증착되었다.

그들의 유기 태양전지의 효율은 낮은데 유기 태양전지의 상용화를 위한 roll-to-roll 공정을 데모 했다는데 의의가 있다.

참고: http://www.rsc.org/chemistryworld/2014/06/roll-roll-flexible-organic-tandem-solar-cells

나노입자를 만드는 새로운 방법이 태양전지 제조에 도움이 될 것이다

Sandia National Laboratories의 연구자들은 TiO2 나노입자를 새로운 방법으로 만들었다.

TiO2 나노입자는 충진제(filler)로써 태양전지와 LED을 위한 반사방지층의 굴절률을 튜닝 할때  사용된다.

종래의 충진제는 Si 나노입자였다. TiO2 나노입자는 만들기 힘들고 비싸기 때문에 적용 힘들었다.

현재의 TiO2 제조방법은 종종 고온 공정과 비싼 계면활성제가 필요하다 - 계면활성제의 분자가 TiO2의 표면과 결합하여 어떤 용매에 용해될 수 있게 하는데 퐁퐁이 접시의 기름 때를 제거하는 원리와 같다.

또한 입자 분포가 균일하지 않고 입자끼리 한덩어리 뭉쳐져 있는 경우가 있다.

이번 개발품인 TiO2 나노입자는 크기가 거의 균일하고 서로 뭉쳐지지 않는다.

그들의 TiO2 나노입자의 크기는 5nm정도인데 거의 산란이 없다. 산란은 광 투과율을 감소시킨다.

TiO2은 Si 처럼 광학 봉지재와 렌즈를 위한 재료의 굴절률을 증가시킬 수 있다. 굴절률은 빛을 구부러뜨리게 하는 물질의 능력이다.

실용적인 나노입자는 여러 종류의 용매에 용해될 수 있도록 서로 다른 계면활성제와 어울릴 수 있어야 하는데 그 이유는 서로 다른 응용이 서로 다른 용액 공정을 요구하기 때문이다.

시실 TiO2 나노입자를 다양한 폴리머와 같이 사용하기 위해서는 TiO2 나노입자가 다양한 용매에 분산될 수 있으면 좋다.

연구자들은 값싼 다양한 알코올 용매를 사용해서 Ti 소스(titanium isopropoxide)를 얻을 수 있는지 연구했다.

여기서 문제는 Ti 소스에 물을 첨가하면 빠른 반응으로 인해 TiO2의 나노입자가 아닌 자주 TiO2의 큰 덩어리가 생기는 것이다.

따라서 첨가되는 물의 양을 조절하여 반응을 컨트롤하는 것이 중요하다.

그들은 끈질긴 노력 끝에 물을 매우 천천히 첨가 하여 알코올 희석 조건을 찿았다.

참고: http://dailyfusion.net/2014/06/titanium-dioxide-nanoparticles-29624/

나노구조 반사 방지 코팅

나노 구조의 간격과 공간 배열은 나노 구조 자체의 광학적 특성 만큼 중요하다.  그 간격이 deep-subwavelength 크기일 때 효과적인 매체가 단위체의 고굴절률과 주변 환경의 저굴절률의 사이의 효과적인 굴절률로 형성될 수 있다. 

이런 이유로 나노 구조는 효과적인  반사 방지 코팅으로써 역할을 할 수 있다.

그 간격이 파장 크기일 때 나노 구조는 효과적인 grating-coupling을 통해 가이드 공명을 만들어 나노 구조를 광결정으로 만든다. 

광이 복소 굴절률이 서로 다른 n1과 n2의 매질 사이의 계면으로 수직으로 통과할 때 반사된 광의 강도는 반사율로 부터 알 수 있다. 

R = [ (n1-n2) / (n1+n2)]^2

이 식으로 부터 태양광이 굴절율의 실수와 허수가 모두 큰 반도체 물질로 입사될 때 강한 반사율을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 

예를 들어, 연마된 Si 표면에 태양광 에너지의 대부분을 차지하는 가시광에서 적외선에 걸친 포톤이 입사되면 30%이상이 반사된다. 

반사율을 줄이는 일반적인 방법은 1/4 파장의 두께와 기판과 공기의 굴절율의 기하 평균과 동일한 실수부 굴절률을 갖는 반사 방지막을 코팅하는 것이다.

상용 Si 태양전지에서 가장 흔한 반사 방지 코팅 막은 SiO2(n=1.5)와 SiNx(n=2)의 투명 박막이다. 하지만 이 단순한 막은 상쇄 간섭에 의한 후면 반사 광이 최소화되는 입사광의 한정된 파장과 각도에서만 반사 방지 효과가 있다. 

반도체 나노구조의 조밀한 어레이가 대안이 될 수 있는데 얇은 막이여도 광대역 파장과 넓은 입사각에 걸쳐 반사 방지 효과가 뛰어나다. 

반사 방지 코팅 관련 중요한 발견 중 하나는 나방의 눈의 각막이 구조화된 표면을 갖고 있다는 것인데 이 표면 구조가 극적으로 빛의 반사를 억제한다는 것을 알았다.

1970년도에 reactively sputter-etched 반도체의 텍스처 표면으로 부터 완전히 검은 표면을 얻었다. 

Stevens와 Cody는 표면 위에 deep-subwavelength 크기의 조밀한 나노구조의 어레이가 광 반사을 최소하기 위한 광학 특성이 점진적으로 변화될 수 있는 매개체의 역할을 한다는 것을 알았다.

1990년에 잘 정렬된 subwavelength 크기의 반도체 나노구조 어레이가 개발되었는데 평면파 간섭을 이용한 포토리소그라피 공정으로 ~1 cm2의 면적으로 만들어 졌다. 

태양전지 제조에 바로 쓸 수 있는 나노구조 기술은 화학 에칭 공정을 통한 램덤 텍스처 뿐 아니라 생체 모방을 통한 Si 나노팁, 나노콘과 돔(dome), 나노와이와 이중 지름의 나노 기둥의 정렬된 어레이의 합성이 있다.

a-Si 박막 평면에 nanosphere lithography을 이용해서 나노콘 패턴을 만들었다(그림 4a). 이 표면 텍스처는 평평한 a-Si 표면의 반사율을 약 40%로 감소시켰다. 

나노콘 어레이가 반사율이 ~15%인 나노기둥 어레이(그림 4b) 보다 성능이 우수하다. 그 이유는 나노기둥 어레이는 공기에서 a-Si 표면으로의 굴절률 변화가 거의 없기 때문이다. 

나노콘의 높이, 밑부분 지름 그리고 종횡비가 광대역과 전방향 반사 방지를 위해 최적화 된다. 

종횡비가 >1 일때 반사 방지 효과가 가장 좋고 <1 이면 광을 효과적으로 산란시켜 태양전지에 가이드 공명이 일어나는 것이 가능하게 한다. 

나노구조 표면이 있는 셀은 좋지 못한 표면 패시베이션으로 인해 성능 저하가 일어나기 쉽다. 

이런 이유로 나노구조 어레이 위에 얇은 유전체 막을 입히는데 이렇게 하면 패시베이션도 되고 반사율을 더 줄일 수 있다. 

최근 연구는 큰 종횡비의 나노와 마이크로 구조 반도체 단위체와 더불어 Auger와 표면 재결합을 최적화하기 위해 도핑과 표면 패시베이션을 세심하게 설계하는 것이다. 

참고: Light management for photovoltaics using high-index nanostructures,  Mark L. Brongersma, et al., Nature Materials, published online: 22 April 2014⎜DOI: 10.1038/NMAT3921

양자점에서 돌파구가 값싼 스프레이 태양전지를 앞당긴다

Toronto 대학의 연구자들은 산소와 접촉해도 성능이 저하되지 않는 새로운 종류의 콜로이드 양자점을 제조해서 셀에서 효율 8%을 얻었다. 

태양전지에서 양자점은 태양광 스펙트럼의 다른 부분을 흡수할 수 있도록 쉽게 제조할 수 있는데 이는 쉽게 나노 결정의 크기를 변화시켜 밴드갭을 튜닝할 수 있기 때문이다. 

이 특성은 양자점을 다중 접합 태양전지에 이용되게 하는데 태양광 스펙트럼의 다른 영역을 흡수하기 위해 서로 옆에 다른 크기의 양자점의 시리즈를 이용할 수 있다. 

또한 양자점은 덜 비용이 드는 단일 접합 양자점 태양전지에 이용될 수 있다. 태양광 에너지의 반을 차지하는 원 적외선 영역을 흡수할 수 있도록 양자점의 밴드갭을 조절할 수 있기 때문이다. 

콜로이드 양자점(colloidal quantum dot, CQD) 태양전지는 Si 태양전지와 같이 전하를 다루어 전기를 생산하기 위해 p형(hole-rich)과 n형(electron-rich) 반도체를 이용한다. 하지만 n형 양자점 반도체는 공기 중에 노출되었을 때 산소 원자와 결합하려는 경향이 있어 전자를 잃어 p형이 되어 셀을 쓸모 없게 만든다. 

Toronto 대학의 연구자들은 산소와 결합하지 않는 새로운 n형 PbS CQD  물질을 제조했다.  

그들은 무기 패시베이션 물질(iodide)을 CQD 표면에 결합시켜 산화를 억제시켰다.

참고: http://www.gizmag.com/quantum-dot-solar-cells/32478/

고굴절률 나노 구조

절연체와 반도체 나노구조는 나노규모에서 빛을 조작할 수 있는 수많은 기회를 제공한다. 그들의 유전상수가 높을 수록 입사되는 햇빛과 더욱더 강하게 상호 작용하려는 경향이 있다. 또한 그들의 나노구조가 적당한 크기와 모양이 되면 강한 광학 공명을 나타내며 벌크 재료에 비해 광-물질 상호작용을 더욱더 향상시킬 수 있다. 여기서 주목할 점은 이 공명의 강도가 금속 구조에서와 거의 같다는 것이다. 

최근에 태양전지에서 셀의 성능 향상을 위해 이 공명을 엔지니어링하기 시작했다.  반도체 나노구조가 태양전지의 활성층 재료의 일부분일때  반도체 나노 구조내에서 이들 공명의 여기는 직접적으로 유용한 광흡수를 증가시키거나 간접적으로 가이드과 회절 공명을 여기시킬 수 있다. 

빛이 흡수되거나 산란되는 방법은 반도체 내에서 여기될 수 있는 지역화된 광학 공명(localized optical resonance)의 본성에 달렸다. 

가능한 가장 좋은 반사방지층과 광포획층을 엔지니어링하기 위해 서로 다른 지역화된 공명(localized resonance) 형태를 분류하는 것과 직감에 의한 이들의 거동을 이해하는 것이 중요하다.  

그림 2 a-c는 태양전지에서 광흡수 강화를 위해 가장 기본적으로 쓰는 나노 구조 어레이 이다. 

나조 구조 어레이는 0 차원(나노입자,a)와 1차원(나노와이어, b,c)으로 나눌 수 있다. 

광이 위에서 입사되면 지역화된 광학 공명이 셀 위에 평평하게 놓여 있는 나노 입자와 가로 방향을 있는 나노와이어에서 여기될 수 있다. 

이 나노 구조들은 자연히 광을 전파(propagation) 방향(z 방향)으로 가둘 수 있고 최소한 어느 한 측면 방향( x 또는 y 방향)으로 가둘 수 있다. 

광 파장과 비슷하거나 작은 크기의 나노 구조에서의 지역화된 광학 공명은 Gustav Mie에 처음 시도된 접근 의해 분석되었다. 

Mie는 구형 입자에서의 광산란을 묘사하는 Maxwell 방정식의 해를 제시했다. 

지역화된 모드의 본성을 설명하기 위해 1차원 산란체가 위에서 조명을 받는 경우를 고려하자. 이 경우 공명은 순수하게 transverse electric(전기장이 1차원 구조의 길이와 수직일 때)과 transverse magnetic(전기장이 긴 축과 평행일때)으로 분류될 수 있다. 

더우기, 모드는 전기장의 방위각 의존성(exp(imφ))을 나타내는 정수 m으로 색인될 수 있다.  그림 2d는 고굴절률 나노원기둥이 제공하는 transverse magnetic mode의 최저차 모드를 보여준다. 

나노와이어의 산란 특성을 분석하는데 있어서 나노와이어를 다중 내부 전반사 통해 주변의 광을 트랩하는 잘 확립된 원기둥 공명기의 소형 버전으로 생각하는 것이 도움이 된다. 

이런 관점에서는 공명은 광의 파장의 정수 m이 와이어의 원주와 맞을 때 마다 일어 난다는 것을 알 수 있다.

다극(multipolar) 안테나 공명의 관찰은 완변학 원통형이나 구체의 기하학 구조에만 국한되는 것이 아니라 고굴절 구조에서도 일반적으로 관찰된다. 

이점을 설명하기 위해 그림 2e는 서로 다른 단면 형상의 고굴절률 빔에서 m=1 일 때의 공명의 여기로 발생된 전기장의 분포를 보여준다. 

그러한 공명은 모든 반도체와(Si, GaAs, CdTe, CIGS, 유기)와 고굴절률을 갖는 투명 유전체에서 여기될 수 있다. 

심지어 고굴절률 구조 안의 나노 기포가 광포획을 위해 이용될 수 있는 공명을 제공한다. 

수직 방향의 나노와이어의 경우, 위에서 부터 제공된 waveguide 모드로 빛을 결합 시킬 수 있다. 

그림 2f는 이 모드가 여기되었을 때 와이어의 내부와 주변에서의 전기장 분포를 보여준다. 

각 나노구조가 광을 흡수하고 산란시키는 것에 대한 유효성은 흡수 단면적과 산란 단면적으로 정량화할 수 있다. 

흡수 단면적은 직관적으로 σ(abs) = W(abs)/S(inc)로 정의된다. 여기서 W(abs)는 나노구조에서 흡수된 파워이고 S(inc)은 입사 평면파의 단위 면적당 파워이다.

⎜S(inc)⎜ = (1/2)×c×ε0(εd)^(1/2)×⎜E0⎜^2, 여기서 c는 빛의 속도, ε0는 진공에서의 투자율, εd는 모체의 유전상수, E0는 입사광파의 전기장 진폭.

산란 단면적은 흡수 단면적과 비슷하게 σ(abs) = W(sca)/⎜S(inc)⎜로 정의된다. 여기서 W(sca)는 산란된 파워이다. 

에너지 보존 법칙으로 부터 소멸(extinction) 단면적은 흡수 단면적과 산란 단면적의 합이라는 것을 알 수 있다. 

σ(ext) = W(ext)/⎜S(inc)⎜= σ(abs) + σ(sca), 여기서 W(ext)는 흡수와 산란 모두 의해 입사광파가 잃은 전체 파워. 

소멸 단면적은 광이 포획된 뒤 흡수되거나 재산란 것으로 부터 유효 단면적을 알려준다.

그림 3은 고굴절률 나노구조 각개의 광산란, 광 가이드, 그리고 광흡수 특성을 설명하고 정량화한 몇가지 실험을 보여준다. 

그림 3a,b는 반지름이 각각 131과 104 nm인 구형 Si 나노구조의 SEM이미지를 보여준다. 삽화는 dark-field 광산란 이미지를 보여 주는데 확실히 크기에 따라 다른 색깔이 나타난다. 이는 산란 공명이 크기에 따라 각기 다르게 나타나기 때문이다. 

이 이미지는 서브 파장크기의 나노입자에서 일어날 수 있는 산란 공명을 시각적으로 나타내주는 역할을 한다.

그림 3c는 이 형태의 공명이 전체 가시광 스펙트럼에서 어떻게 연속적으로 튜닝될 수 있는지 보여준다. 

그림 3d,e는 bright-field 광학 이미지에서 개별 수직 Si 나오와이어 역시 튜닝 가능한 색깔을 낼 수 있다는 것을 보여준다. 이 것은  광학 waveguide 모드와 효과적인 커플링이 발생하는 narrow band 파장에 걸쳐 일어나는 감소된 반사율과 관계가 있다. 

분광 반사율 측정에서 개별 나노 와이어 지름이 증가할 수록 반사율은 강한 red-shift를 했다. 

Ge 나노와이어에서 직접적으로 광흡수를 측정하기 위해 각각의 나노 와이어를 전기적으로 연결했다. 

그림 3f에 Ge 나노와이어의 반지름이 10 nm(검정), 25 nm(청색) 그리고 110 nm(적색)일때의 광전류 스펙트럼을 보여준다. 각 스펙트럼은 나노와이어의 크기에 의존하는 다수의 뚜렷한 피크를 보여준다.

이들 피크들은 진성 물질 흡수의 파장 의존에 의해 나타나지 않으며(그림 3f의 삽화) 나노 와이어의 크기, 기학학적 구조와 주변 환경에 의해 튜닝될 수 있는 광학 공명으로 부터 나타난다. 

참고: Light management for photovoltaics using high-index nanostructures,  Mark L. Brongersma, et al., Nature Materials, published online: 22 April 2014⎜DOI: 10.1038/NMAT3921